Fundamentos de Procesos Químicos: Conceptos Clave y Aplicaciones Industriales

Conceptos Fundamentales en Procesos Químicos

Definiciones Esenciales de Sistemas

Un sistema es aquella parte del universo que está en estudio, cuyos límites, reales o imaginarios, se establecen de acuerdo con las conveniencias de la aplicación.

El medio es todo lo que no es el sistema.

El universo es la unión del sistema y el medio.

Clasificación de Sistemas

Sistemas según Intercambio de Materia

• Sistema Abierto: Entra y/o sale materia del sistema a través de sus límites. La masa contenida por estos sistemas no necesariamente es constante (continuos o semicontinuos).
  Ejemplos: un automóvil, un evaporador, una columna de destilación.
• Sistema Cerrado: No hay transferencia de materia a través de los límites del sistema, por lo que la masa del sistema permanece constante (batch).
  Ejemplos: una olla a presión, una batería de automóvil, un globo inflado.

Sistemas según Fase

• Sistema Homogéneo: Es aquel que contiene una sola fase (gas, líquido, sólido).
• Sistema Heterogéneo: Es aquel que contiene dos o más fases (vapor/líquido, líquido/sólido, líquido/líquido).

Principios y Propiedades en Procesos

El Proceso Químico

Un proceso químico es cualquier operación o serie de operaciones que provocan un cambio físico, químico o bioquímico en una sustancia o mezcla de sustancias (materia prima).

Flujo del Proceso: Materias primas (input) → Proceso (transformación física, química o bioquímica) → Producto (output).

Conceptos de Estado y Flujo

• Estado Estacionario: No cambia el valor de las variables en el tiempo.
• Flujo: La velocidad a la cual se transporta el material desde un punto hasta otro.
  • Tipos de flujo: Másico, volumétrico, molar.

Relaciones entre Flujos y Propiedades

• Relación entre flujos:
  • De másico a volumétrico: se usa la densidad.
  • De másico a molar: se usa el peso molecular.
• Densidad: Se emplea para convertir el flujo volumétrico de un fluido en flujo másico, y viceversa.
• Densidad Relativa (o Peso Específico Relativo): Es el cociente entre la densidad de la sustancia de interés y la densidad de una sustancia de referencia bajo condiciones específicas. La densidad de referencia más comúnmente utilizada para sólidos y líquidos es la del agua a 4 °C.
• Peso Molecular: Nos permitirá transformar flujos másicos o cantidades másicas en flujos molares o cantidades molares, y viceversa.

La Presión

La presión es el cociente entre una fuerza y la superficie sobre la cual actúa: P = F/A.

Se denomina Presión Hidrostática a la presión que se ejerce en la base de una columna de fluido. Esto se considera para una columna vertical de un fluido de densidad ρ que tiene una altura h y una sección transversal uniforme de superficie A.

Instrumentación y Medición

• Medidores de Flujo: Venturi, Pitot, Doppler, caudalímetro.
• Medidores de Temperatura: Termómetro, termopar, termocupla, termorresistencia.
• Medidor de Fuerza: Dinamómetro.
• Medidor de Presión: Manómetro.

Principios Fundamentales

Principio de Conservación de la Masa

"La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma."

Este principio se aplica a cualquier material y es fundamental en los procesos químicos. Sus aplicaciones incluyen:

• Se aplica a la masa total de un sistema o para cualquier especie atómica o molecular que se involucre en un proceso.
• Es aplicable a una única unidad de proceso, a varias unidades, o a una planta o complejo industrial completo.

Aplicaciones y Equipos Clave

Columna de Destilación

Una columna de destilación es una estructura cerrada en la cual se realiza la separación física de un fluido en dos o más fracciones. Esta separación se logra sometiendo el fluido a condiciones de presión y temperatura apropiadas a lo largo de la columna, logrando que las fracciones que se buscan separar se encuentren en dos estados diferentes.

• La fracción más pesada (en estado líquido) baja por gravedad.
• La fracción más liviana (en estado gaseoso) sube y se condensa en las partes superiores.